发射是人类最原始的社会活动之一，目的是获得发射体的末端动能。从发射能量来源的角度，目前为止人类社会经历了机械能发射、化学能发射和电磁（复合）能发射三个阶段。电磁发射（Electromagnetic Launch, EML）是指包含电磁能的发射方式，它的出现是电气化集成与电能变革的必然结果。电磁发射可以突破传统发射方式的能量和速度极限，是一种新型发射方式。它具有发射动能高、系统效率高、发射频次高、启动时间快、持续发射能力强和负载可调节性强等显著优势，必将成为替代传统机械能发射和化学能发射的新型发射技术。电磁发射技术以电能为基本的组织形态，以信息流来实现对能量流的精准控制，涉及电气、材料、信息、控制等多个学科和领域的深度交叉融合。近年来，随着综合电力技术、新型复合材料、高压大功率开关和人工智能的快速发展，电磁发射技术掀起新一轮的研究热潮，在军事民用领域均有颠覆现有格局的重大意义。海军工程大学于2017年首次设立电磁发射工程专业，旨在培养从事电磁发射装备技术设计、生产监造、全寿命周期运维管理的人才，这标志着电磁能装备真正从理论研制阶段迈向工程实用阶段。本文总结近20年来在电磁发射领域的研究成果，归纳了电磁发射的五项共性技术，综述了其研究现状及应用进展，指出了目前面临的挑战及对策，展望了未来的发展趋势和前景，旨在为电磁发射技术的后续研究提供参考。电磁发射技术是一种将电磁能直接变换为发射负载所需瞬时动能的能量变换技术。电磁发射系统由脉冲储能系统、脉冲电能变换系统、脉冲直线电机和控制系统四个部分组成，如图1所示。发射前通过脉冲储能系统将能量在较长时间内蓄积起来，发射时通过脉冲电能变换系统调节输出瞬时超大功率电能给脉冲直线电机，产生电磁力推动负载至发射速度，控制系统实现信息流对能量流的精准控制。
与其他发射方式相比，电磁发射技术具有“更高、更快、更强”三种典型特征。1）更高：首先指的是发射速度高，可超越化学能发射的速度极限，速度从每秒几十米到数十千米，传统火药仅1km/s左右；其次是发射效率可高达50%，而传统发射方式如蒸汽弹射发射效率仅有4%～6%；有效载荷比大，推动负载的动子一般为铝制结构，如电磁弹射的动子采用铝板，电磁轨道发射的电枢采用铝块，电磁线圈发射采铝环等，图2为电磁发射的载荷。
2）更快：首先指的是启动时间短，从冷态到发射仅需几分钟；其次是发射间隔短，可以在数秒内实现重复发射。此外，对辅助配套设施要求低，通过脉冲储能系统可在十几分钟内蓄积数十发的发射能量，大大削减了对电网的功率需求。图3为非周期循环脉冲工作模式。
3）更强：首先指的是发射动能大，电磁炮可达数十兆焦，电磁弹射可达百兆焦，航天推射可达数十千兆焦；其次发射负载可变，可灵活调节电流实现不同载荷发射；最后，持续作战能力强，可靠性高，可维护性好，维护操作人员少。图4为电磁弹射与其他弹射能级对比示意图。
1）电机式电磁发射技术，指发射装置为传统交流直线电机的电磁发射技术，如电磁弹射、电磁阻拦、武器载荷通用电磁发射等，如图5所示。
2）轨道式电磁发射技术，指依靠直线导轨进行接触式馈电的电磁发射技术，如电磁轨道炮、电磁枪等，如图6所示。
3）线圈式电磁发射技术，指通过高压电容器对驱动线圈逐级放电产生脉冲电磁行波，驱动弹丸进行电磁悬浮发射的技术，如电磁线圈炮、电磁重接炮等，如图7所示。
按照推进能量不同，可以分为纯电磁能发射和电磁能复合化学能发射。一般纯电磁能发射的电磁推进能级大，末速度高，比如电磁弹射和电磁轨道炮，能级分别达到了100 MJ和32 MJ。电磁能复合化学能发射一般电磁推进部分提供的能量较小，初始速度低，比如导弹电磁助推等，一般能级在几兆焦左右。按照发射长度和末速度不同，电磁发射技术可分为电磁轨道发射技术（距离十米级、速度每秒千米级）、电磁弹射技术（距离百米级、速度每秒百米级）、电磁推射技术（距离千米级、速度十千米级），如图8所示。
2 电磁发射的共性技术
电磁发射系统为跨学科复杂大系统工程，技术复杂、指标要求高，面临诸多瓶颈技术难题。不同的电磁发射类型涉及的具体关键技术有一定差别，但总的来说可概括为脉冲储能技术、脉冲电能变换技术、脉冲直线电机技术、检测与控制技术和高速高过载制导技术五项共性技术。储能是电磁发射系统的能量源泉，占据了全系统的大部分体积和重量，是制约电磁发射工程化及集成小型化设计的关键。目前，几种典型的应用于电磁发射领域的储能技术有电机储能、脉冲电容器储能、超级电容器储能、磁场储能和锂电池储能，如图9所示。其中寿命最长的是电机储能，能量密度最大的是锂电池储能，功率密度最大的是脉冲电容储能。本文重点讨论电机储能、锂电池储能和脉冲电容器储能三种技术。
电机储能技术通过电动机加速电机转子或飞轮盘，从电网吸取电能转换成机械能存储起来，放电时通过发电机将大容量机械能转换成电能释放给负载。一般由储能电机、拖动变流器和输出变流器等组成，具有技术成熟度高、释能范围宽、能量转换效率高和寿命长的显著优点。现有的飞轮储能技术主要有两大子类。第一类是以传统滚动和滑动轴承为代表的大容量中速飞轮储能技术，其主要特点是单机储存动能和释放功率大，一般用于短时大功率放电和电力调峰场合；第二类是以磁悬浮轴承为代表的高速飞轮储能技术，其主要特点是结构紧凑、长时工作效率更高。涉及的主要关键技术有：适配飞轮储能的电动/发电机分析设计技术、大惯量飞轮设计分析及制造成型技术、飞轮储能转子轴系支撑及动力学分析技术、机械能与电能间的输入输出转换及控制技术、飞轮本体与电机集成化设计技术。美国“福特”号航母的电磁弹射系统采用了飞轮储能，它可在2s内提供200 MJ的瞬时能量而不对航母的电力系统产生影响。日本原子能研究所的核聚变试验装置采用了容量为215 MV·A的惯性储能元件，可在30 s内提供峰值为160 MW的电能。2022年4月份，由湖北东湖实验室参与的青岛地铁3号线10 MJ飞轮储能项目顺利并网运行，采用了具有完全自主知识产权的磁悬浮飞轮技术。目前，磁悬浮飞轮储能系统的功率等级已经从原来的中小功率逐渐向大功率的方向发展，高速化和大功率是目前飞轮储能的重点发展方向之一。锂离子电池通过锂离子在电池正负电极之间往返嵌入和脱嵌，实现能量存储和传递，具有储能密度高、功率性能好、循环寿命长等特点。应用于电磁发射的锂电池除了需要满足热安全性、使用寿命、电压平台、输出阻抗等方面的苛刻条件外，还要尽可能地提升放电倍率至50 C以上。普通的功率型电池工作在电磁发射的极端工况下，往往会造成一系列问题，如电压平台过低、发热严重、寿命快速衰减等，还存在潜在的热失控与燃烧风险。因此，必须合理进行结构、材料与工艺匹配设计，以满足功率密度、储能密度、寿命与安全性指标的需求。根据电磁发射系统短时功率需求大和长时能量需求高的双重要求，基本储能单元需要兼顾能量密度和功率密度，高倍率锂电池是目前实现这一目标的最佳技术路线之一。涉及的关键技术有：电芯材料、结构、工艺的综合协同优化技术，高倍率锂电池充放电特性与老化机理研究，高倍率锂电池储能系统安全管理技术等。考虑到大规模锂电池应用的安全性，海军工程大学开展了从大倍率铅酸电池到超大倍率磷酸铁锂电池的开发路线，实现了从6 C到50 C的跨越，并成功开发出75 C、脉冲放电寿命30000次的磷酸铁锂电池，储能密度达到80 W·h/kg。美国后续采用了类似技术路线，2014年7月2日，美国海军授予K2 energy公司8140万美金合同，进行舰载电磁轨道炮的蓄电池储能系统初级能源研发；2016年4月20日，美海军水面作战中心达尔格伦分部宣布，授予电池设计制造商saft美国有限公司一项合同，为电磁轨道武器开发能量储存模块。
2.1.3 脉冲电容器储能
脉冲电容器基于静电原理实现能量的存储与释放，具有工作电压高、输出电流大、充放电时间快、配置灵活等优点，同时具有大范围能量和频率输出特性一致性好的特点，被广泛用作电磁发射的储能元件。
目前，美国GA公司生产的2.0 MJ/m³储能密度的电容器的寿命达到1万次，2.4 MJ/m³储能密度的电容器的寿命达到5000次；而国内脉冲电容器在储能密度和寿命指标上与国外差距较大，在同样储能密度下的寿命仅为其一半。为此，由海军工程大学牵头的国家自然科学基金委重大计划《极端条件电磁能装备科学基础》专门设置了电容器储能电介质的研究内容，旨在将电容器的储能密度提升至4 MJ/m³，寿命达到10000次。
当前新型储能电介质材料研发的难点在于介电常数与击穿场强高且难以协同提升，单纯提高介电常数往往导致介质损耗的增加和放电效率的降低，此外部分材料虽然击穿场强高且优势显著，但机械加工性能较差，难以批量生产。用于电磁发射的脉冲电容器工作于大电流、高电场强度、高频率和极短时间等极端工况，其寿命和储能密度提升相互矛盾。针对该问题，国内外在基于现有双向拉伸聚丙烯（Biaxially Oriented Polypropylene, BOPP）薄膜表面改性、耐高温薄膜材料、新型材料体系等方面开展了研究，在实验室测试中取得了较好的成果，但是离工程化应用需要的高储能密度和长寿命还有较大差距。脉冲电能变换技术分为两种类型：一种是以直线电机为供电和控制对象的电能变换技术，主要采用以IGBT为核心器件的脉冲工作式超大容量变频装置和脉冲交流调制策略；另一种是以直线接触导电轨道和分段线圈为供电对象的脉冲功率调节技术，主要采用以晶闸管为核心器件的脉冲成形网络（Pulsed Formatting Net, PFN）拓扑和脉冲直流时序调制策略。超大功率储能装置（飞轮或高功率脉冲电源）瞬时释放初级能量，为满足直线电机在短距加速过程中需要的瞬时大电流，需通过中高压大容量电力电子变换技术将储能输出的直流电调制成频率和幅值协调变换的交流电，从而实现直线电机加速所需的瞬时功率。受制于大功率IGBT器件的容量等级的现状，为了提高电能变换的功率等级，需采用器件串并联、多电平拓扑组合和装置级的集成。这其中采用标准化的功率单元模块是提供系统的集成化水平和可靠性的关键。二极管钳位三电平（Neutral Point Clamped, NPC）作为广泛应用的拓扑结构，成为标准化模块的首选。三电平单相逆变器的拓扑电路如图10所示。通过对模块中功率开关的串并联组合实现高压大电流输出，从而满足电能变换装置MW级的功率输出需求。
为了减小器件并联数量降低系统的复杂度，与传统稳态运行变频装置相比，需要进行器件的尽限使用，研究器件在非周期瞬态工况下的能力边界和可靠性；同时针对多电平拓扑的电容电压均衡控制和并联装置的环流抑制等技术问题进行研究，提出优化的脉宽调制策略；采用大功率电子开关实现对直线电机的无损分段切换供电，满足电能的分段接力式传输。海军工程大学提出了基于尽限应用思想的直流可控并联、多相混合多电平逆变、分布式切换供电的脉冲大功率电能变换系统方案，解决了电磁弹射系统能量源共享、多具弹射器相互隔离和超大功率长初级直线电机供电的难题，成功研制出数百MV·A级电能变换系统，具有高功率密度、高可靠性的特点。脉冲直流调制主要用于由脉冲电容供电的场合，例如电磁轨道炮和电磁线圈炮的控制。高功率脉冲电源直接对感性负载放电，产生的直流磁场和流经电枢（次级感生）的电流相互作用产生安培力。目前关于脉冲直流调制的方法多为开环控制，最为普遍的方法是脉冲成形网络控制，用于调节输出电流波形，实现系统能量的高效转换。其关键技术包括紧凑型脉冲电流调波、高压大电流瞬时脉冲开关、脉冲成形网络控制、脉冲成形保护等技术。目前工程上能够实现大功率脉冲输出的PFN方案是以金属薄膜电容储能、晶闸管/二极管构成开关组件的脉冲单元（Pulsed Formatting Unit, PFU），多个PFU组网输出脉冲大电流。图11是两种典型的PFU拓扑，按照晶闸管在电路中的位置可划分为内置型和外置型两种类型。两种类型的拓扑结构相比较，内置型晶闸管只参与放电阶段，不参与续流阶段，热负荷小，但是其承受的端电压变化率大，且存在电容器残压无法完全释放的问题；外置型晶闸管热负荷大，但动态特性好，可实现能量完全释放。
很多国家对脉冲功率电源做了大量研究，其中，中美两国对器件技术的基础研究和PFU综合集成技术居世界领先水平。美国海军在达尔格伦水面作战武器中心装备的脉冲电源储能规模达到100 MJ，这套电源为电磁发射装置提供能量，峰值电流可达5 MA。英国国防部为90 mm口径电磁轨道炮建造32 MJ电容储能脉冲电源系统，可输出3.6 MA电流，系统由29个可独立触发、储能1.1 MJ的模块组成。德国国防部2003年在莱茵金属试验场为电磁发射研究组建了30 MJ电容储能电源系统，由24个1.28 MJ电容储能单元组成。俄罗斯为电磁发射研究研制了两套电容储能脉冲电源系统，总储能9 MJ，由96个94 kJ储能模块组成。海军工程大学研制成功单体储能数百千焦的脉冲储能模块，可进行“搭积木”式的组合，总储能可达数百兆焦。直线电机是电磁发射系统的核心执行机构，其结构上由发射装置和发射体构成，发射装置对应直线电机的定子，发射体对应直线电机的动子。其中，发射装置为电磁发射提供驱动磁场和加速通道。本文重点介绍大推力直线电机、电磁轨道发射器和电磁线圈发射器三种典型电机。大推力直线电机初级绕组可承受数万安培大电流，并产生行波磁场。次级产生的感应涡流或永磁磁动势与行波磁场相互作用产生电磁力，从而驱动负载加速到一定末速度。按照初级外形结构，可设计成圆筒型、扁平型、平面型等不同结构；按照实际运动部件，又可以分为动次级和动初级结构，其中动次级的初级绕组一般采用多段初级分段供电形式。多段初级分段供电电机具有动子结构简单可靠、动子质量轻等优势，但功率因数及能量效率较动初级电机低，且要配置段开关、电缆汇流排等，整体体积、质量大。而对于动初级电机，高速运行的初级绕组需通过电刷或者移动电缆大电流供电，可靠性及环境适应性较低。涉及的关键技术主要包括大推力直线电机设计技术、长行程直线电机串联分段供电与开断技术、多物理场强耦合建模技术、强边端效应和强饱和下电机精确建模技术、结构集成化设计技术、连续发射下电机冷却技术、发射动力学技术等。从20世纪90年代开始，国外一些知名大学开展了多种形式的电磁发射用直线电动机的论证和设计工作。例如美国南卡罗莱纳大学设计的永磁直线电动机弹射系统，电机次级长3 m，极距为150mm，采用20块NdFeB永磁体组成，次级自重1480kg，产生推力为1.29MN。国内清华大学提出了一种变极距直线感应电机，直接采用通用交流电源作为弹射电机的馈电电源，避免使用大规模的功率变换器环节。根据不同应用场景，海军工程大学研制出不同功率等级的分段供电长初级直线感应电机、动初级直线感应电机、动次级永磁同步直线电机等不同类型样机。电磁轨道发射器是极其特殊的直线直流电机，没有电刷结构，只有一对磁极，励磁绕组和电枢绕组均为特殊的单匝形式，本质上是单极直线脉冲直流电机。电磁轨道发射器在几毫秒的工作过程中承载了数MA级大电流，电流密度高达1010 A/mm2，由此产生了极端的电磁热力强耦合强冲击条件，由于枢轨之间还存在相对速度达数km/s的滑动电接触，给导轨、电枢及其界面性能设计带来重大挑战。
涉及的关键技术有极端条件导轨材料和电枢材料技术、电磁热力多物理场建模技术、枢轨高速载流匹配技术、导轨快速冷却技术、大尺寸低模量耐高温绝缘体技术、内弹道发射动力学技术、炮口引弧/消弧技术等。从导轨形式上讲，发射装置可分为平面型、凸面型、凹面型三种形式，如图12所示。分析表明：与平面型及凹面型导轨相比，凸面型导轨下的枢轨匹配性更好，电枢过盈量产生的接触压强更加均匀。
从导轨的布局上讲，发射装置可分为单匝导轨及多匝增强型导轨两种。多匝增强型发射器可分为并联增强型、串联增强型和外场增强型三种结构。部分学者提出了部分增强型电磁轨道发射器结构、自旋电枢电磁轨道发射器结构、四极电磁轨道发射器结构、复合轨电磁发射器等新结构，并对其性能进行了初步探讨，对电磁轨道发射器的结构设计进行了探索。电磁线圈发射器是特殊的圆筒型直线感应电机，取消了铁心和绕组槽结构以削弱磁饱和及齿谐波，从而提高能效，采用高压电容器驱动而不是多相交流电以尽可能地提升单位长度的出力。现阶段，需要解决多级线圈高推力设计技术、驱动线圈快速冷却技术、多级线圈触发控制技术，以及驱动线圈使用寿命和可靠性等关键技术。为突破适用于高初速发射的电磁线圈发射器的关键技术，美国桑迪亚国家实验室研制了50 mm口径线圈炮的驱动线圈，外围的加固体采用凯夫拉/环氧复合材料制成，两端的侧板采用G-10绝缘材料，主要用于验证将质量200～400g的弹丸加速到3 km/s的可行性。为了解决驱动线圈温升问题，桑迪亚国家实验室为120 mm口径的电磁线圈迫击炮试验装置研制的驱动线圈，将质量为18kg的弹丸加速到420 m/s，制冷管道内通入制冷剂，以传导快速连续发射时产生的热量。为对多级触发控制技术进行研究，提高发射效率，国内西北机电工程研究所与华中科技大学合作，研制了口径为120mm、长度为2.5m的电磁线圈发射装置。该装置由15级驱动线圈组成，每级驱动线圈采用独立的脉冲电容器组馈电，为匹配弹丸速度与脉冲电流上升时间，脉冲电源的电容从8mF减小到1mF，放电电压范围为5～20 kV。为了探索电磁线圈发射装置在发射微小卫星上的可行性，海军工程大学研制出多级电磁线圈发射装置原理样机，在1.2m内实现0.5～1kg、200m/s的发射目标。电磁发射系统是一个高阶、非线性、多变量的电、磁、固、热多物理场耦合的复杂大系统，为保证系统中各部件协调一致完成发射任务，需要通过信息流对能量流进行实时精准控制。检测与控制技术发挥了顶层控制与决策的中枢大脑作用，实现了对系统的能量转换控制、状态监测、故障诊断和预测、冗余控制和保护，还能接入武器系统实现多平台协同作战及数据资源共享。检测技术包括先进传感、健康诊断和巡检维护技术，以保障电磁发射系统高可靠性。由于电磁发射系统电、磁、热、力多物理场强耦合特性和短时重复脉冲工作原理，传感技术面临强磁场（＞5T）干扰、高速（＞1 MHz）数据采集、多源异构传感器时间统一等挑战；健康诊断面临极端多物理场作用下失效机理复杂难以精确建模、故障样本少且严重偏置、故障模式多但诊断实时要求高（＜1s）等挑战；巡检维护则面临多类型复杂综合状态感知、可靠精准维护等挑战。针对上述挑战，各国学者开展了众多富有成效的研究，取得了喜人进展：突破了抗强电磁干扰和同步高速采样传感器及信息获取技术，开发了大量新型传感器系统，例如高速位置传感器、磁探针阵列、光纤光栅测导轨应变传感器等。结合人工智能技术发展了知识与数据相融合的故障诊断、多维时序智能预测的故障预测技术。随着深度学习等智能化技术进步，当前正在开发集视觉、声学、电磁学和热力学多模态测量，以及自动定位、行进和维护操作于一体的智能运维系统，典型的有巡检机器人，可逐步取代人工作业，实现更高效的身管状态检测和维护能力。电磁发射系统对控制技术的需求，按照功能层级可分为闭环实时控制、时序逻辑控制和协同指挥控制等方面。采用前馈与反馈结合、多闭环结合等控制方法，驱动各类电磁发射系统按预定的工况运行。对于有严格时序要求和安全互锁的操作，建立时序逻辑模型，能够对各类正常及异常流程下达安全合理的操作指令。为保证多种电磁发射系统高效协同工作，研究综合控制系统，从完成多种作战任务的角度实现各电磁发射系统协调运行。海军工程大学提出了直线感应电机多目标约束下弹射轨迹精确控制方法，建立了人在回路的发射作业流程及状态机模型，研制出综合控制系统，从完成多种作战任务的角度实现各电磁发射系统协调运行。随着电磁发射技术从平台拓展到发射对象，高速高过载制导技术成为新的研究领域。常规导弹一般过载较小，且导航器件体积较大，无法直接应用到电磁发射领域，而要进行小型化和抗高过载能力设计，涉及的关键技术包括长时高过载暂态冲击过程的准确建模、器部件小型化耐冲击设计、高过载组合导航和超高速制导控制等。相对于传统化学能发射，电磁轨道炮发射环境更为复杂，呈现出多物理场强耦合、发射过载量级大（最大达到3.5万G）以及过载持续时间长（10 ms）的新特点。由于长时高过载冲击激励下的器件响应特性呈现明显的非线性特性，抗过载防护材料特性难以精确表征且缺乏等效等价的地面验证平台。当前国内制导器件抗高过载研究主要集中于器件的短脉宽冲击响应特性及失效机理，而长时高过载冲击环境下的器件失效机理及防护措施研究相对较少。在硬件设计方面，为了提高导航器件在高过载下的存活能力，Draper（德雷珀）实验室进行了抗高过载设计，电子元器件采用薄膜混合MCM-C工艺，再用金属外壳封装到印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）上，壳体采用加固铝框架结构，并选择了具有抗干扰功能的选择可用性反诱骗模块（Selective Availability Anti Spoofing Module, SAASM）卫星接收机以提高组合导航系统的抗干扰能力。国内前期主要开展组合导航系统在130 mm和155 mm火炮上的应用研究，技术路线是采用三个单轴加速度计和三个陀螺仪立体组装方式集成惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU），基于双天线卫星导航设备开展抗高过载和超高速下抗干扰卫导接收机的研制。海军工程大学依据器件工作环境及可靠性提出了无缆化、综合集成和功能复用的研制思路，将传统的多型部件进行集成化设计，使得制导器件的线缆减少90%、器件抗高过载能力提升50%。电磁发射小型导航制导与控制系统需要满足器件抗高过载和高精度打击的需求，两者之间关系存在矛盾。例如，目前电磁炮使用的微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）惯组相比传统导弹和高超飞行器使用的光纤惯组体积小2～3个数量级，抗高过载需求提高2个数量级以上，但精度差2～3个数量级，必须在软件方面开展紧耦合/超紧耦合组合导航算法设计来弥补硬件不足。此外，受膛内高过载、强扰动发射环境以及外弹道大空域宽速域飞行环境的影响，存在惯组空中对准、高旋稳定控制和全包线高精度控制等技术难题。美国在MEMS-INS/GPS组合导航系统技术方面的研究一直处于世界领先地位，其中最具代表性的是Draper实验室、Honeywell公司以及BAE公司，开展了系列化应用研制。在软件设计方面，为了解决惯组膛内不能上电导致出膛后弹体姿态丢失的问题，提出了基于卫导信息的惯组初始对准算法，并采用组合导航算法对惯组误差进行补偿，提高末制导导航精度。在超高速制导控制技术方面，美国、中国等国家开展了高超音速飞行器、电磁发射超高速制导弹制导体制的设计，远程高精度自适应制导算法研究以及自适应鲁棒控制算法研究和工程实现。此外，开展了制导控制系统的一体化设计，提高了系统的集成化水平和鲁棒性能。
电磁发射技术是集电气、材料、机械、力学、兵器、信息、控制等学科于一身的前沿技术，在军事、民用及航天等领域都有着广阔的应用前景，为人类如何利用能量提供了新的途径。由于其加速时间短、出口动能大及作战灵活等显著优点，电磁发射武器获得各国军事装备研究者的青睐，在未来武器系统的发展规划中已成为越来越重要的部分。自20世纪80年代起，多数国家一直致力于将其应用在舰艇平台上，以期实现同一武器对中远程多重（来自水面、水下和空中）威胁的体系作战和防御。随着综合电力技术的应用，将全舰能量集中调度成为可能，为加速舰载电磁能武器的海上应用提供了能源支撑。根据电磁能装备发挥的作用，从应用层面可以划分为平台技术和武器技术。美国经过40年探索和试验，装备电磁弹射装置的“福特”号航母于2017年正式服役，目前福特级航母的第四条“多里斯·米勒”号已经开工建造。英国、俄罗斯和印度也在积极进行电磁弹射技术研究攻关，但都没有实质性进展。美国考虑将其电磁弹射技术出售给英国和印度。海军工程大学经过十几年的艰苦攻关，攻克了电磁弹射系统的全部关键技术，取得了一系列重大技术创新和突破。2022年6月17日，我国完全自主设计建造的第一艘弹射型航空母舰“福建舰”下水命名，配置了先进的电磁弹射和阻拦装置。传统液压阻拦能力已达物理极限，无法满足高速重型舰载机阻拦需求；采用开环调节，峰值载荷大，导致阻拦索寿命短，且不能保障轻型舰载无人机着舰，严重制约航母战斗力。电磁阻拦技术通过精确控制电磁力将高速运载器的动能吸收转换成电能、实现高速运载器的短距离安全拦停。电磁阻拦通常由缓冲传动、阻拦电机、能量转换、控制维护四部分构成。与液压阻拦技术、涡轮电力阻拦技术相比，具有阻拦能力范围大、阻拦峰值过载小、偏心偏航阻拦适应性强、系统可靠性高、操作维护简便、工作准备时间短、响应速度快等显著优点。涉及的主要关键技术有：电磁阻拦系统顶层设计技术、全系统动态建模与仿真分析技术、适配电磁阻拦的缓冲器阻尼特性匹配性设计技术、低惯性大转矩阻拦电机设计分析技术、高精度电磁转矩控制技术、高可靠性宽适应的阻拦动态控制技术、多能量链冗余设计与实时协同控制技术。武器载荷通用电磁发射技术是一种利用电磁能为武器载荷提供初始动能的发射技术，在提高发射隐蔽性、武器射程和平台载弹量、降低使用维护成本等方面具有显著优势，能大幅提升武器系统作战效能，引领武器发射技术变革。21世纪初，美军面向CG(X)巡洋舰，提出了电磁发射技术研发需求，桑迪亚国家实验室和洛马公司合作开发出电磁导弹助推器（Electromagnetic Missle Launch, EMML）系统。其设计目标是将1633 kg“战斧”导弹通过电磁力提供40 m/s初速。2011年该项目进行了发射试验，但之后CG(X)巡洋舰由于“技术过于超前、技术要求过高、开支过高”等原因导致项目计划正式终结，EMML研发也随即停止。海军工程大学提出了一种基于直线电机驱动和自动转载装填的武器载荷通用电磁发射技术，实现了各型武器的通用发射，提高了武器平台综合作战能力。该技术以脉冲能量产生、转换（直驱/间驱、旋转/直线、动初级/动次级、永磁/感应）与控制为基础，以自动化转载装填为特征，目前已攻克了车载、舰载、水下等多型作战平台武器载荷通用电磁发射系统所有关键技术，主要包括系统总体设计、大推力高功率密度发射电机设计与制造、重载高速转载装填机构优化设计与高精度控制技术、水下电磁发射“电磁-结构-流体”多场耦合建模和低噪声发射控制技术等。电磁轨道炮利用电磁力将炮弹加速至超高速，具有初速高、射程远、威力大、成本低、持续打击能力强等诸多优势，具有远程对海对陆精确打击、中远程防空反导、反临近空间目标等多种使命任务，由于其完全依靠超大规模电磁能发射并携带动能杀伤，可实现命中即摧毁，被誉为从冷兵器到热兵器以来的又一次武器革命，世界各军事强国在此领域不惜投入巨大的人力财力开展研究，由于涉及多个学科交叉，并受制于材料、器件等基础工业的进步，到目前为止并未实现工程化。美国在电磁轨道炮工程样机研制方面，自20世纪80年代以来，一直走在世界前列，BAE系统公司研制的32 MJ动能电磁轨道炮样机，如图13所示，于2017年7月实现20 MJ炮口动能、10发/min射速。此外，GA公司研制的10 MJ中程多任务电磁轨道炮系统也于2017年完成了装配调试工作。
图13 BAE系统公司32 MJ电磁轨道炮试验样机法国和德国合作开展电磁轨道炮的研究，并成立了ISL（法德圣路易斯研究所），在2008年研制建成了连续发射电磁轨道炮RAFARAI用于防御高超声速导弹（发射频率在50 Hz以上），目前，该系统可在单发模式下将100g的弹丸加速至2.4 km/s。2018年开发了60 mm方形口径的电磁轨道炮NGL－60，其电流水平超过了2.13 MA，发射效率达到22%。日本防卫省2022财年投入65亿日元用以完成电磁轨道炮在装备化前的样机生产，计划于2025年实现装备化。海军工程大学在发射装置、储能、电枢、超高速弹丸方面开展了全面深入的研究。研制了多种口径的试验样机，突破了复合身管技术和轨道寿命技术等瓶颈；提出了新型混合储能技术，解决了电磁轨道炮的连发能源问题；形成了C形固体电枢的归一化设计准则和工程判据，为不同形状、不同推力电枢的优化设计提供了依据；深入研究了一体化弹丸气动数值计算、膛内磁场分布特性、弹托分离特性、飞行弹道姿态测量、内弹道动力学等，规范了弹托的设计准则，解决了制导弹内弹道、中间弹道及导航制导控制等一系列难题，为实现高精度全空域远射程制导弹丸的研制提供了理论依据。涉及关键技术主要包括发射系统总体技术、发射身管及绝缘体长寿命技术、脉冲储能高射速小型化技术、集成化冷却设计技术、高速高过载制导控制技术等。电磁线圈炮在未来的高技术战争中具有十分广泛的军事应用，不仅可用于战术层面，而且还可用于战略层面。美国国防部预先研究计划局正在大力推进120 mm口径的电磁迫击炮实验室演示项目研究，专门为下一代“未来战斗系统”研制车载式非直瞄电磁迫击炮，目标是将120 mm的迫击炮弹加速到420 m/s。可以看出，在同轴线圈电磁推进领域，美国不间断地进行了近40年的基础和关键技术研究，目前已经进入原理样机试制阶段。海军工程大学攻克了大口径高磁密线圈设计制造技术、紧凑型脉冲电源技术等一系列难题，实现了百kg级一体化电磁弹出口速度达到数百m/s以上，目前正在发展中质量高马赫数（1000 m/s）电磁线圈发射技术。电磁枪是将电磁发射技术应用于轻型武器装备的一种新概念动能杀伤武器装备、可突破传统枪械的初速、射程和威力，适用于单兵武器或车载、舰载副武器等场合。与常规枪械相比，具有弹丸有效载荷比高、动能大、穿甲性能好，初速高、弹丸飞行时间短，射程远、作战范围广，易于调节、可控性强，加速均匀、后坐力小等作战优势。目前，国内外提出了将电磁枪应用于装甲、机载等平台的构想，但未有样机研制。主要是两个方面的原因，一是受限于现有储能水平，体积和质量难以满足单兵、多兵携带或车载等使用要求；另一方面，电磁枪的射程远超传统枪械，其远距离射击精度是工程化应用需要解决的关键技术。海军工程大学完成了发射装置及电源的轻量化设计，实现了电磁枪武器系统的车载集成，实现了弹枢匹配和电磁起旋技术，有效提高了射击精度，开展了外场数公里远射程发射试验，子弹出口动能几十kJ，突破了目前世界上枪械的射程和动能限制。目前，全球海军多种不同任务的作战平台如航母编队等，系统复杂，协同指挥难度较大，而且建造维护成本极为高昂。随着高能武器的发展，传统的作战平台已无法满足新型武器的能量需求。针对这一现状，海军工程大学率先提出超能舰构想，如图14所示超能舰是集成电磁能武器和核能综合电力系统的新型海上攻防一体作战系统。
超能舰上装备有电磁轨道炮、电磁线圈炮、电磁火箭炮、激光武器、高功率微波等新型电磁能武器，并与全电舰船技术集成，将舰船平台能量智能高效地转换为高能武器所需的电磁能，使单艘舰船同时具备防空、反潜、反导和对海、对陆的精确打击能力，大幅提升舰船持续作战能力，从而保证单艘全能舰遂行传统舰艇编队的作战任务，这将彻底颠覆一百多年来的海上编队作战方式。超能舰的先进性表现在两个方面：一是核能舰船综合电力系统的应用，能将常规战争中不能作为武器使用的核能，通过电磁能转换为可用的打击能量；二是舰载高能武器系统的运用，可以作为反舰导弹、防空导弹以及鱼雷等武器的能力补充，采用电磁炮加激光武器的组合，远距离使用电磁炮，近距离使用激光武器和高功率微波，弹药造价低且携带量大幅提升。配备的电磁轨道炮射程远，打击范围可达临近空间；电磁发射导弹可自动重复装填，持续作战能力和射程大幅增加；电磁线圈炮可发射各种水中兵器，大幅提升水下攻防能力；激光武器以光速传输能量，瞄准即命中；高功率微波武器杀伤范围大，能有效应对“蜂群”目标。搭载空中、水面、水下无人信息系统，融合卫星网络，实现大范围战场感知、信息共享。电磁发射技术在军事领域日趋成熟的应用促进了其在民用及航天等领域的推广。首先，采用电磁发射方式发射空间载荷可极大削减发射成本，缩短发射准备时间，提高发射频次和效率；其次，电磁发射在保持运载能力不变的情况下，可以省去其中一级发动机，火箭由四级构型变为三级，或者火箭构型不改变，增大火箭运载能力，大幅提高了发射的有效载荷比，降低了发射费用；最后，电磁线圈发射无接触，适合于长行程的发射，有利于空间站或天基的物资运输。与现有传统的航天发射技术相比，航天电磁推射系统极大地发挥了电磁发射的优势，同时结合运载器的适应性改进，可以实现更低成本、更高频次、多方位、更快速的发射。将电磁发射技术与民用、商业航天需求有机结合，借助航天市场的爆发式增长之力，不仅能够实现国防科技的跨越式发展，同时还能充分发挥高新技术对航天力量建设的支援作用。20世纪以来，国外相关概念及设想层出不穷。美国IAT（先进技术研究所）提出了第一级用电磁炮发射，第二级保留火箭发动机的发射方案构想，将3 t重的有效载荷送入600 km的轨道。有文献提出了电磁复合能发射微小卫星的概念。俄罗斯Shvetsov提出大型电磁轨道航天发射的方案，并分析了火箭末级（飞行组件）加速有效载荷空间升力的技术可行性和经济效益。有文献提出利用电磁发射辅助清除空间碎片的方案，有文献则提出通过电磁轨道发射太空物资的概念。可以预见，在不久的将来，航天电磁推射将具备工程化拓展应用的潜力。量子精密测量旨在利用量子效应，突破现有体系物理测量的瓶颈，实现超越经典方法的测量精度，在军事、科研、民生等领域具有重要战略意义。空间星载精密测量载荷工作在微重力环境下，与地面工作环境有很大的不同，在载荷的研制过程中，迫切需要一个能够模拟空间微重力环境的科学装置。采用地面落塔进行微重力环境模拟具有较高的性价比。针对上述需求，我国拟基于电磁发射技术，建设一座高150 m的新一代电磁驱动式落塔。与传统直抛式落塔相比，采用电磁弹射技术和电磁阻尼技术的新一代落塔，可实现多种重力环境模拟，具有双倍微重力时间、高微重力水平、高重复频次，过载小和维护成本低等优点，可广泛应用于空天、深空、深海等精密测量场合。高速磁悬浮列车主要利用电磁力实现悬浮，由直线电机驱动车辆运行，相比于轮轨接触式列车，在运行功耗、振动、噪声等方面具有优势，是未来轨道交通的发展趋势。目前，高速磁悬浮技术主要有三种主流制式，分别是电磁悬浮制式、电动悬浮制式和钉扎悬浮制式。其中，我国上海高速磁浮示范线最高运行时速达431 km/h，是目前世界载人轨道交通运营的最高速度；2020年，我国自主研发的时速600 km/h高速磁浮列车试跑成功，标志着我国已掌握了具有自主知识产权的电磁型高速磁浮核心关键技术。此外，美国、德国、日本、西班牙、巴西等国也均在高速磁悬浮领域开展了大量研究工作。近年来，海军工程大学积极响应国家军民融合战略，将电磁发射技术向民用轨道交通领域推广，拟在湖北东湖实验室建设一条长约1 km的高速磁浮测试线，采用悬浮支撑和电磁推进的方式，将约1t重的试验车加速至峰值速度800km/h，并在有限距离内实现可靠制动。建成后，将为我国开展高速运行下磁浮列车的牵引供电、悬浮导向、运行控制等方面的关键技术验证提供一个强有力的支撑平台。
近年来，随着材料、器件等有关基础科学问题的不断突破，电磁发射技术取得了长足进展。但是由于电磁发射涉及的应用领域越来越广、工作条件越来越极端、所涉及的学科领域越来越多，技术发展仍然面临以下挑战：4.1 极端电磁热力耦合冲击条件下材料物性参数演变机理不清不同于传统机电能量转换装备，电磁能装备受极高功率（数万兆瓦）、极短时间（数毫秒）、极大电流（数兆安）、极高速度（数千米每秒）以及上述物理量极高变化率等极端条件的共同耦合作用，其材料的电磁、温度、应力等物理量的变化率与峰值极大，产生极端的电磁、热、力冲击环境，在材料上形成巨大的磁场梯度、温度梯度和应力梯度，以及多种高度非线性的瞬时耦合物理效应，传统周期稳态或准稳态工况建立的材料模型与性能表征、设计理论等无法适用于电磁能装备极端的冲击态物理环境，需要从冲击条件材料物性演变机理与调控、电磁能装备尽限设计与稳定运行等关键科学问题开展研究。- 一是从时空耦合角度研究电磁、热、力等冲击条件下材料与电磁能的相互作用机理，突破现有周期稳态理论框架，发展基于时空的材料多维度综合数学物理建模理论和性能表征新方法，研究材料的成分设计与晶相结构优化、服役条件下组织结构演化与冲击性能的关系，实现对材料冲击响应的电磁性能、机械性能、温度性能和频率特性的综合调控；
- 二是从精细描述电磁能装备性能的角度，研究循环非周期暂态机电能量转换过程的分析理论，从材料和结构两个方面迭代优化，发展基于材料尽限应用的电磁能装备设计方法，提出复杂大系统信息感知与智能诊断预测方法，实现电磁能装备的紧凑化设计与安全高效运行。
为提升电磁发射系统功率体积密度和可靠性，器件层面需要掌握极限能力边界，核心是器件特性的精确表征。由于电磁发射表现出短时超大电流的特点，其高压大功率器件既有开关瞬态载流子ns级运动过程，又有浪涌电流ms级输运过程，同时也有贯穿始终的热传递过程以及全寿命周期内的健康状态变化过程。因此，器件呈现出较传统周期稳态更为复杂的多时间尺度多物理场耦合特征，实现其极限能力的评估需要突破器件多时间尺度表征难题。技术难点主要体现在如何建立脉冲瞬态器件内部微观特性与端口宏观特性之间的对应关系、驱动控制下器件特性与主电路元素的互动关系，以及全寿命周期内器件特性的演变规律。- 一是器件本体微观与宏观特性，重点关注多时间尺度下载流子输运与能量传递之间的关系；
- 二是器件与主回路元素的互动关系，尤其是多时间尺度下驱动控制与负载特性对器件能力边界的影响。
- 一是从半导体和封装材料的物理特性角度分析器件多时间尺度特性；
- 二是从极端工况的角度分析器件多时间尺度应力特点，最终从物理边界和工程边界两个目标维度建立器件不同时间尺度下的特性表征方法，突破电磁发射极端条件下高压大功率器件多时间尺度表征难题。
4.3 多物理场强耦合极端工况下等价测试与原位观测手段不足电磁发射系统结构复杂，1:1原型试验代价极大，开展极端电磁、热、力冲击条件下的等价测试，可大幅加快各关键技术的研究速度。
由于非周期脉冲工况和复杂极端多物理场强耦合作用，等价测试面临三大难题：
- 一是开展复杂机理及其指标关联性研究，提出等价解耦指标，如解耦热力和电磁指标，分别开展等价测试，大幅降低等价测试难度；
- 二是研究电磁能极端物理环境的等效模拟方法，建立多因素耦合的冲击载荷下材料物性参数测试平台，突破传统测试系统的单一物理量加载的局限，实现冲击工况下对材料宏观物理性能与微观组织演变规律和机理的描述，解决冲击工况材料动态性能观测难题；
- 三是应用人工智能成果，开发多源多信息融合测试系统，从数据层面深度融合各传感器信息，突破单一传感器测量信息少、时空分辨率低和测量精度差等难题。
4.4 电磁能装备性能进一步提升面临材料和制备工艺短板为提升电磁装备服役耐久性，材料层面需要揭示电磁轨道失效机制，指导新型高性能轨道材料和相应工艺的研发。由于电磁装备服役过程中枢/轨界面涉及电、磁、热、力多场耦合的苛刻服役环境，轨道材料呈现出较单一物理场下更为复杂的损伤行为。实现新型轨道材料的研发需要突破多物理场下材料失效行为动态耦合及多重材料性能协同优化的难题。技术难点主要体现在如何构建多物理场耦合下轨道材料微观结构-性能-失效行为之间的内禀关系、针对复杂损伤机制实现轨道材料多重性能的集成以及高性能轨道材料制备工艺的工程化。- 一是研究多场耦合下材料的损伤特性，重点关注失效机制耦合及材料微观结构与损伤行为之间的内在关系；
- 二是基于轨道材料在多场耦合下的损伤模型，指导高耐久性能复合结构轨道材料的设计。
- 一是新一代高强高电导率铜合金的研发，通过成分和结构调控实现轨道材料多重性能的集成；
- 二是基于损伤机制分析，利用高性能材料复合化（如涂层技术等）抑制轨道损伤，实现轨道材料抗耐久性的提升；
- 三是从枢/轨界面损伤出发，利用电枢表面改性抑制铝合金粘附引起的轨道损伤。通过材料的结构和工艺优化，突破电磁能装备性能进一步提升面临的难题。
电磁发射系统工作于极端条件，受限于现有材料器件性能和国家基础工业水平，目前电磁能装备还存在着一些体积、重量大等问题，为了进一步提高适装性、可靠性和寿命，需要继续创新驱动发展，面向“三化”开展研究。电力电子系统作为能量流转换的基本单元，通常由半导体器件、传感器元件、硬件电路、监控软件经连接件组合而成，通过数据总线在底层设备、传感器和控制系统之间实现信息交互，具有实时性、确定性和安全性的特点。随着电力电子系统向多样化、规模化、智能化发展，系统内的信息流和能量流互联互通日趋复杂，不断促进电力电子系统向高度集成化发展。复杂的互联线缆严重制约了电力电子系统的智能制造、柔性扩展，而现有的基础理论和设计理念难以支撑电力电子系统和这些新技术手段的深度融合。无缆化需要解决瞬态电磁能量精确表征与平衡调控、状态管理智能决策与高效控制、高功率密度集成单元无缆化封装电磁兼容及散热等问题。海军工程大学提出了电能变换单元无缆化思想，解决了信息流系统维护性差、可靠性差等问题；提出了高过载制导弹弹载器件少缆化思想，进一步缩小了制导元器件的体积和重量，提高了耐冲击性能。目前已研制出抗高过载能力的制导导航控制（Guidance Navigation and Control, GNC）模块，未来将会全面覆盖电磁发射系统的信息流层面，并将推广到其他民用及航天领域。电磁能装备材料工作于多物理场强耦合、高瞬态、高应力和高速摩擦运动的极端条件下，对材料的多重核心指标均有较高要求，然而，现有材料中往往存在核心指标之间相互制约的情况。比如，在常规金属材料中，导电性和强度往往呈现倒置规律。高导电性金属（如银、铜等）的强度通常较低，必须通过多种复合强化手段（如添加陶瓷第二相、高强纳米颗粒、合金化、晶粒细化和加工强化等）提高金属的强度，但这些强化技术往往导致导电性能大幅度降低。其原因在于这些强化技术本质上是在材料中引入各种缺陷，但缺陷会显著增加电子散射，从而降低电导率。同样的现象也出现在储能材料中，储能密度和功率密度两大核心指标之间存在不可调和的矛盾，单一的储能材料难以满足电磁发射系统既要高储能密度、又要高能量密度的现实需求。海军工程大学提出用“复合”材料的原理来解决材料的强度和导电性协同提高的难题。比如，用铜作为基体、其他高强度材料作为覆层进行爆炸焊接后整体成形，作为导电耐磨材料；另外，材料表面改性也是开发新型高强高导金属材料的主要手段。为了解决储能材料同时需要高功率密度和高能量密度难题，2009年海军工程大学率先提出混合储能技术路线，以蓄电池为初级单元提高储能密度，以脉冲电容为二级储能提高功率密度，从而实现高功率和高能量密度，大幅降低高能武器对舰船电网的容量需求。电磁发射的极端应用背景将会催生高性能材料的复合化，为电磁发射技术的工程化铺平道路。电磁发射装置长期工作于大功率脉冲条件下，信息感知能力和运行控制手段决定着平台性能的发挥程度，需要不断深化基于人工智能和大数据技术的电磁发射系统状态智能感知与运行控制理论，全面提升全系统的自传感、自诊断和优化控制能力，为发展智能化武器装备提供理论和技术支撑。电磁发射系统智能感知与运行控制系统由集成式智能传感单元、健康状态评估与故障预测单元、运行控制管理单元三部分组成，通过新型集成传感、现代控制理论、最优化理论、数据融合等理论和数据驱动技术，实现全系统健康状态的实时监控和故障预测，并结合电磁发射实时工况需求，实现智能优化控制。需要解决系统集成智能感知、复杂工况下系统健康状态监测与故障监测、系统自适应运行优化与容错控制等问题。智能感知与运行控制系统可充分挖掘并掌握电磁发射系统状态，对故障准确预测，在保证安全稳定运行前提下，根据不同工况和故障状态进行优化调整与容错控制，使其满足高载荷、高动态复杂工况，并为上层武器分系统和下层能量管理分系统提供决策数据，支撑电磁发射系统作战效能最大化，有望使电磁能武器在运行、维护效率和尽限运行能力等方面的性能得到大幅提升。综上所述，电磁发射技术是人类运用能量的又一次进步，必将成为未来发射方式的必然趋势，将在军事民用航天航空等领域产生深远的影响。
本工作成果发表在2023年第15期《电工技术学报》，论文标题为“电磁发射技术的研究现状与挑战”。本课题得到国家自然科学基金重大研究计划集成项目、重点项目的支持。